深井大断面软岩硐室加固技术研究

尹殿平

（1.中国矿业大学，江苏 徐州221008；2.山西煤炭运销集团有限公司，山西 太原 030002）

深井大断面软岩硐室加固技术研究

尹殿平1，2

（1.中国矿业大学，江苏 徐州221008；2.山西煤炭运销集团有限公司，山西 太原 030002）

某矿二水平埋深850 m，新副井马头门及周边硐室采用传统的锚网碹支护，均出现了不同程度的破坏。采用FLAC数值模拟分析深井软岩硐室的变形与破坏机理后，提出并采用锚注加固支护-围岩承载结构，同时对支护承载结构进行结构补偿支护。井下应用中围岩变形得到有效控制，取得了良好的加固效果。

深井；硐室；结构补偿

1 工程概况

某矿二水平深部开采埋深850m左右，井底车场马头门（净断面：宽×高=5200 mm×6970 mm），马头门上部主要岩性为泥岩和砂质泥岩，底板下部主要岩性为砂质泥岩，围岩强度较低，稳定性较差。井底车场于2008年7月初开始施工，马头门现有支护为一次支护锚网索喷，二次钢筋混凝土碹的永久支护，图1为二水平井底车场及主要硐室的平面位置关系。马头门掘出不到一年时间，碹体开始出现裂纹，北侧勺山墙严重开裂；新副井进车线处巷道采用二次锚网支护，破坏主要表现为帮顶浆皮炸裂，帮部变形量两帮收敛100mm～200mm，顶板浆皮炸裂、脱落，顶部变形严重，变形量在300mm左右。

图1 二水平井底车场巷道布置图

2 马头门支护变形破坏机理

结合现场地质条件，采用FLAC数值模拟软件，建立数值模型对某矿二水平深井马头门采用锚网碹支护失稳破坏机理进行了深入研究。

2.1 模拟方案与参数

为使模型较好地反映马头门围岩变形的实际状况，建立的模型具有如下特点：采用应变软化模型，真实反映深部岩体的变形特性；模拟中锚杆选用cable单元进行模拟，锚杆锚固方式为端部加长锚固，真实反映现场锚杆与围岩之间的相互作用关系；为分析锚网支护和碹体支护的作用关系，以及碹体破坏状况，采用有限单元处理碹体，并在碹体与围岩之间建立接触面，对碹体进行准确全面地分析。

建立平面应变模型尺寸（长×宽）为：100m×73.75m，共划分13400个有限单元，从而保证模拟精度。模型中直墙半圆拱型为该矿二水平马头门断面，尺寸为宽×高=5200mm×6970mm。某矿二水平标高为－800 m，加上地面标高，埋深达到了850 m，根据静水压力理论，侧压系数λ=1，模型采用静水应力场。模型的左、右及下边界均为位移约束边界，顶边界施加等效上覆800m岩层的自重应力，计20MPa垂直应力。

结合某矿已测试的二水平岩块强度，以及掘进过程中揭露的围岩状况，采用岩体强度参数分析软件RocLab，综合选取模拟岩体参数，如表1所示。

碹体的力学参数取自《混凝土结构计算手册》，具体参数见表2。

碹体与围岩的界面参数Ks和Kn参数如表3。为系统分析深井大断面硐室锚网碹支护失稳机理及其影响因素，针对某矿二水平深井地质条件，建立模型分析锚网支护和锚网碹支护硐室围岩应力分布、围岩位移特征。为分析锚网支护与围岩形成的组合拱和碹体的变形规律，在模型中碹体内部和距巷道围岩表面0m、0.5m、1.0m、1.5 m、2.5 m和3.5 m处设置相应的观测线。巷道开挖后，单次计算时步为500步，共分10次。

表1 围岩力学参数

表2 碹体力学参数

表3 碹体与岩体界面的力学参数

2.2 数值模拟结果分析

锚网索碹支护围岩变形规律。图2显示了支护计算不同时步时，帮部不同深度的围岩位移量。由图中可见，计算500时步时，即支护初期，帮部碹体位移量和围岩表面位移量基本相当，表明巷道表面和碹体接触关系良好，且帮部随着距底板距离的增大，帮高不同位置的围岩距巷道表面相同深度围岩变形量大小相当。随着计算时步的增加，硐室围岩变形量继续增大，在帮部出现随着帮部距底板距离的增大，碹体和硐室围岩表面位移均呈非线性增加，且随拱部围岩变形进一步增大，帮部不同位置围岩变形的非线性、非均匀的程度增大。在计算2000时步时，与支护初期不同，帮部碹体距离底板约1.0m处至起拱线之间碹体变形量均高于围岩表面位移量，围岩表面与碹体之间产生不同程度的间隙，计算5000步时，间隙进一步扩大。

图3显示了计算不同时步时，拱部不同深度的围岩径向位移量。由图中可见，计算500时步时，支护初期随着拱部与水平方向夹角的增大，拱部不同位置的围岩距巷道表面相同深度位移量相当。随着计算时步增加，硐室围岩变形量增加，在拱部与水平方向夹角不同的位置，拱部围岩也呈现非线性、非均匀变形，随着拱部围岩变形进一步增大，拱部围岩变形非均匀、非线性程度增大。随着计算时步的增加，拱部碹体和拱部围岩表面径向变形量始终相当，说明巷道拱部围岩表面和碹体接触始终良好，未出现间隙，拱部碹体对围岩始终提供较好的支护。

图2 马头门帮部围岩变形量

图3 马头门拱部围岩变形量

如图4所示为采用锚网碹支护，计算500和10 000时步时，碹体内塑性区发育情况。由图可见在支护初期，巷道围岩变形小，碹体内整体呈现较大的塑性区，在帮部出现局部小范围的拉破坏区，随着巷道围岩表面进一步变形，碹体承受的载荷进一步增加，计算10000步时巷道拱顶局部已经出现压剪破坏，而且帮部拉破坏的区域进一步扩大，碹体的起拱线附近和碹体帮角外侧都出现拉破坏。由于碹体帮部出现大范围的拉破坏，帮部碹体的承载能力急剧下降，虽然由于此时碹体与围岩表面存在间隙，帮部承受的载荷较小，但由于帮部已经失稳破坏导致帮部的承载能力降低，且巷道拱部围岩变形加剧，拱部承受的载荷进一步增加，拱部的高载荷传递给侧墙导致帮部破坏进一步加剧，碹体支护整体出现失稳破坏。

图4 碹体内塑性区分布示意图

2.3 大断面软岩硐室失稳机理

通过对锚网碹支护硐室失稳破坏的数值模拟研究结果表明，深井大断面软岩硐室支护失稳原因有以下几点：

1）锚网碹支护仅从加大支护强度出发，采用高强预应力锚网索支护和钢筋混凝土碹，支护强度并不低，但从高强锚网与围岩形成的支护承载结构稳定性来看，支护承载结构稳定性较差。

2）钢筋混凝土碹属于一种被动支护，当锚网支护与围岩形成的支护承载结构发生变形时，碹体才开始承载，而对于直墙半圆拱巷道锚网支护形成的支护承载结构在支护承载过程中巷道表面存在不均匀变形，导致碹体承受不均匀载荷，同时碹体较高的侧墙支护形成的支护承载结构稳定性较差，两方面共同作用导致锚网碹支护巷道失稳破坏。

3）混凝土碹体支护属刚性支护，围岩有小的变形，碹体就可能开裂，高强锚网支护加混凝土碹体支护，并未耦合为一个整体，两者在支护过程中，存在分次承载，各个击破的问题，不能完全发挥由各个支护体组成的支护承载结构整体的承载能力。

3 马头门加固方案

根据马头门围岩可能的移动变形和马头门现有二次支护承载特性，采用锚索对二次支护形成的承载结构进行结构补偿。即先采用注浆锚杆对钢筋混凝土碹进行壁后充填注浆，使原有的一次支护和二次支护耦合为一个共同的承载结构，然后采用锚索对这一承载结构进行结构补偿，保证马头门长期稳定。采用该支护方案后，通过4个月的观测，马头门顶底板未有明显变形，总变形量在18mm左右，两帮变形总量稍大，约为26mm；顶底板变形平均速率在0.15mm/d，两帮变形平均速率在0.23mm/d。由此可见，采用新型支护技术后，巷道的两帮位移速度在40 d左右围岩变形基本处于稳定，围岩总变形量不大，围岩移动变形得到有效控制。

4 结论

马头门采用该加固方案的四个月后，围岩变形量在允许范围内。实践证明，采用注浆锚杆对钢筋混凝土碹进行壁后充填注浆，使原有的一次支护和二次支护耦合为一个共同的承载结构，然后采用锚索对这一承载结构进行结构补偿，完全可以保证马头门长期稳定。这对采用类似支护方式的大断面硐室有很好的指导意义。

[1] 陈炎光,陆士良.中国煤矿巷道围岩控制[M].徐州：中国矿业大学出版社,1994.

[2] 谢文兵.软岩硐室失稳和锚注加固机理[D].徐州：中国矿业大学，1998.

[3] 车发家,谢文士.深井大断面硐室围岩稳定的数值模拟研究[J].煤炭技术，2008，（10）.

Chamber Supporting for Soft Rock of Deep Well Large Section

YIN Dian-ping1，2
(1.China University of Mining and Technology,Xuzhou Jiangsu221008; (2.Xinzhou Coal Co.,Shanxi Coal Transport and Marketing Group,Xinzhou Shanxi 034000)

At850m of the second level burial depth,various destructions appeared at the new auxiliary shaft and surrounding chambers,due to the traditional bolts arching support.After FLAC numerical simulation and analysis of deformation and failure mechanism of the deep well soft rock chambers,the author presents the bolting and grouting support-surrounding rock support structure.In the meantime,the structure is supported with structure compensation.The surrounding rocks'deformation is effectively controlled and the better supporting effect is achieved.

deep well;chamber;structure compensation

TD353.6

A

1672-5050（2010）10-0032-04

2010-07-30

尹殿平（1952—），男，山西怀仁人，在读工程硕士，高级工程师，从事采煤技术研究与管理工作。

刘新光